第四章学习笔记
第四章
教材学习内容总结
本章主要讲述并发编程，介绍了并行计算的概念，指出了并行计算的重要性；比较了顺序算法与并行算法，以及并行性与并发性；解释了线程的原理及其相对于进程的优势；介绍了Pthread中的线程操作，包括线程管理函数，互斥量、连接、条件变量和屏障等线程同步工具；通过具体示例演示了如何使用线程进行并发编程，包括矩阵计算、快速排序和 用并发线程求解线性方程组等方法；解释了死锁问题，并说明了如何防止并发程序中的死锁问题。
并行
- 1.顺序算法和并行算法
- 2.并行性与并发性
通常，并行算法只识别可并行执行的任务，但是它没有规定如何将任务映射到处理组件。在理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行。然而，真正的并行执行只能在有多个处理组件的系统中实现，比如多处理器或多核系统。在单 CPU 系统中，一次只能执行一个任务。在这种情况下，不同的任务只能并发执行、即在逻辑上并行执行。在单CPU系统中，并发性是通过多任务处理来实现的。
线程
- 1.原理
线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
线程是独立调度和分派的基本单位。线程可以为操作系统内核调度的内核线程
同一进程中的多条线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等。
一个进程可以有很多线程，每条线程并行执行不同的任务。
使用多线程程序设计的好处是显而易见，即提高了程序的执行吞吐率。在单CPU单核的计算机上，使用多线程技术，也可以把进程中负责I/O处理、人机交互而常被阻塞的部分与密集计算的部分分开来执行，编写专门的workhorse线程执行密集计算，从而提高了程序的执行效率。 - 2.优点
与进程相比，线程有许多优点。
（1）线程创建和切换速度更快∶进程的上下文复杂而庞大。其复杂性主要来自管理进程映像的需要。例如，在具有虚拟内存的系统中。进程映像可能由叫作页面的许多内存单元组成。在执行过程中，有些页面在内存中，有些则不在内存中。操作系统内核必须使用多个页表和多个级别的硬件辅助来跟踪每个进程的页面。要想创建新的进程，操作系统必须为进程分配内存并构建页表。若要在某个进程中创建线程，操作系统不必为新的线程分配内存和创建页表。因为线程与进程共用同一个地址空间。所以创建线程比创建进程更快。
另外，由于以下原因，线程切换比进程切换更快。进程切换涉及将一个进程的复杂分页环境替换为另一个进程的复杂分页环境，需要大量的操作和时间。相比之下。同一个进程中的线程切换要简单得多、也快得多，因为操作系统内核只需要切换执行点，而不需要更改进程映像。
（2）线程的响应速度更快：一个进程只有一个执行路径。当某个进程被挂起时、整个进程都将停止执行。相反，当某个线程被挂起时，同一进程中的其他线程可以继续执行。这使得有多个线程的程序响应速度更快。例如，在一个多线程的进程中.当一个线程被阻塞以等待I/O时，其他线程仍可在后台进行计算。在有线程的服务器中，服务器可同时服务多个客户机。
（3）线程更适合并行计算∶并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决问题。基于分治原则（如二叉树查找和快速排序等）的算法经常表现出高度的并行性。可通过使用并行或并发执行来提高计算速度。这种算法通常要求执行实体共享公用数据。在进程模型中，各进程不能有效共享数据，因为它们的地址空间都不一样。为了解决这个问题，进程必须使用进程间通信（IPC）来交换数据或使用其他方法将公用数据区包含到其地址空间中。相反. 同一进程中的所有线程共享同一地址空间中的所有（全局）数据。因此，使用线程编写并行执行的程序比使用进程编写更简单、更自然。 - 3.缺点
（1）由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步。
（2）许多库函数可能对线程不安全，例如传统 strtok()函数将一个字符串分成一连串令牌。通常，任何使用全局变量或依赖于静态内存内容的函数，线程都不安全。为了使库函数适应线程环境，还需要做大量的工作。
（3）在单CPU系统上，使用线程解决问题实际上要比使用顺序程序慢，这是由在运行时创建线程和切换上下文的系统开销造成的。
线程管理函数
- 1.创建线程
使用pthread_create()函数创建线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg); - 2.线程ID
使用pthread_equal（）函数对线程ID进行比较
int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);
返回值：不同线程返回0，否则返回非0 - 3.线程终止
线程可以调用函数进行终止
void pthread_exit(void *status);
返回值：0退出值表示正常终止，非0值表示异常终止
- 4.线程连接
一个线程可以等待另一个线程的终止，通过函数终止线程的退出状态。
int pthread_join (pthread_t thread, void **status ptr);
返回值：以status_ptr返回
线程同步
- 1.互斥量
最简单的同步工具是锁，它允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行。在Pthread中，锁被称为互斥量。在使用之前必须对他们进行初始化。
有两种方法可以初始化互斥址：
静态方法：pthreaa—mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；
定义互斥量 m， 并使用默认属性对其进行初始化。
动态方法：使用 pthread_ mutex _init() 函数，可通过attr参数设置互斥属性。
- 2.死锁预防
互斥量使用封锁协议。如果某线程不能获取互斥量，就会被阻塞，等待互斥量解锁后再继续。在任何封锁协议中，误用加锁可能会产生一些问题。最常见和突出的问题是死锁。
有多种方法可以解决可能的死锁问题，其中包括死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。
在实际系统中，唯一可行的方法是死锁预防，试图在设计并行算法时防止死锁的发生。一种简单的死锁预防方法是对互斥量进行排序，并确保每个线程只在一个方向请求互斥量，这样请求序列中就不会有循环。
- 条件变量
作为锁，互斥量仅用于确保线程只能互斥地访问临界区中的共享数据对象。条件变量提供了一种线程协作的方法。在Pthread中，使用类型pthread_cond_t来声明条件变量，而且必须在使用前进行初始化。
条件变量可以通过两种方法进行初始化
静态方法
pthread_cond_t con = PTHREAD_COND_INITALLIZER；
动态方法
使用pthread_cond_init()函数，通过attr参数设置条件变量。
实践
- 1.用线程进行快速排序
将代码编译后发生报错，上网查找问题
quicksort.c:(.text+0x1a9): undefined reference to `pthread_create'
查找后得知正确编译多线程方法：
gcc -pthread -o quicksort quicksort.c
运行结果
- 2.用线程计算矩阵的和
此处同样需要在编译时加上 -pthread 进行编译，否则也会报错
gcc -pthread -o martix martix.c
